不同靶体对同孔重复射孔穿孔性能影响试验

李东传,曹振斌

(石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心,黑龙江大庆163853)

0 引 言

同孔重复聚能射孔是在常规聚能射孔形成的孔眼上再次聚能射孔,以期获得更好的射孔效果,为油田现场提供一种可选的、适用于某些条件的射孔施工方式。文献多见利用数值模拟的方法研究聚能射孔弹的射孔效果[1-5],但未考虑重复射孔,使用射流侵彻固体靶后在射孔孔道中建立水介质模型,模拟计算同孔重复射孔的结果与试验结果偏离大。李东传等[6]利用DP44RDX38-3型聚能射孔弹在砂岩靶上同孔重复射孔的穿孔深度增加28%～46%,在40 mm厚铝柱模拟水泥环的砂岩靶上穿孔深度增加明显,但重复射孔深度增加幅度相对减少,表明铝柱对射流侵彻影响小于水泥环、砂岩。重复射孔时,射流通过注满清水的孔道后在靶上继续侵彻,近似于长靶距下的射流运动。外国学者利用解析分析法完成了射流运动断裂时速度[7]、时刻[8]以及断裂时间和碎段数量[9]等研究。石广玉[10]基于非线性瞬态动力学程序AUTODYN,研究了靶距为等聚能射孔弹药柱直径的25～42倍时(空气介质)侵彻的贯穿模拟并给出准确的预测结果。在射流运动特点的研究中,针对间隔靶间介质对射流侵彻的影响问题,利用实验对水介质间隔靶影响射流侵彻能力的程度进行研究,高泓超等[11]得出水介质比空气介质对射流侵彻的影响更不利的结论。史进伟等[12]认为射流剩余头部速度在钢靶中降低速度大于水介质的降低速度。上述研究未考虑不同孔道壁材料性质对重复射孔时射流作用的影响规律,以及孔道内径(狭窄域)对射流的影响程度。本文通过试验研究不同性质靶体对重复射孔时射流侵彻效果的影响程度。

1 试 验

基于相同的聚能射孔弹设计2种试验:①在穿过固体靶的情况下,比较研究靶体材料对射流侵彻结果的影响;②在穿过流体的情况下,比较研究射流侵彻区域的液体对射流侵彻效果的影响。在此基础上增加了1组不同类型聚能射孔弹穿固体靶试验,与相同类型的聚能射孔弹穿固体靶试验结果对比,分析优化射孔弹组合后对射流侵彻结果的影响。

1.1 聚能射孔弹固体靶上的重复射孔试验

聚能射孔弹在模拟井筒施工条件下穿过固体靶,在孔道中注入清水模拟钻井液,将聚能射孔弹对准射孔眼再次射孔,对比重复射孔效果;更换靶体重复上述试验过程,对比重复射孔在不同靶体上的作用效果。试验装置见图1。

图1 射孔弹穿固体靶试验装置示意图

该试验选用DP44RDX38-3型聚能射孔弹以及DP44RDX38-3、HS44RDX39-1型聚能射孔弹组合进行同孔重复射孔。试验用靶选用具有代表性的钢靶和砂岩靶,钢靶以稳定性好的特点在聚能射孔弹出厂检验和油田现场验收试验中得到广泛应用,钢靶直接加工而成。砂岩靶最接近井下实际情况,砂岩靶选用直径178 mm、长690 mm的砂岩,按GB/T 20488—2006[13]要求干燥、饱和后用固结剂固结于内径200 mm、长700 mm、厚10 mm的钢壳内,室温下养护48 h待用。

将聚能射孔弹如图1所示组装,在钢靶和砂岩靶上重复射孔,聚能射孔弹炸高均为16 mm,模拟枪靶板均为6 mm低碳钢板,间隙均为11 mm清水,模拟套管厚均为10 mm低碳钢板。第1次射孔后,用游标卡尺测量穿孔孔径,探针测量穿孔深度,量筒加水测量孔容,由于靶渗透率较低且饱和,测量时损失可以忽略。将射孔孔眼内注满清水,重新组装聚能射孔弹、模拟枪靶板、模拟套管靶板(钢靶、混凝土靶试验时,为了方便对位,用具有通孔的模拟套管靶板代替原靶板)等,进行第2次、第3次同孔重复射孔和测量。固体-液体组合靶的射孔试验后仅测量穿孔深度,描述结果。

开展4组同类型聚能射孔弹穿钢靶同孔重复射孔试验,DP44RDX38-3型聚能射孔弹在钢靶上第2次同孔重复射孔平均穿孔深度比初次射孔增加6 mm,增加幅度4.1%,平均孔径比初次射孔增加3.1 mm,增加幅度37.5%;第3次同孔重复射孔平均穿孔深度比初次射孔增加22 mm,增加幅度15.3%,平均孔径比初次射孔增加3.6 mm,增加幅度44.3%(见表1)。

表1 聚能射孔弹钢靶重复射孔试验数据分析

开展5组同类型聚能射孔弹穿砂岩靶同孔重复射孔试验,穿孔深度用直径1.5 mm探针测量,同孔重复射孔因为孔道变形、重复射孔的孔道未重合等造成2号试验第2次射孔穿孔深度比第1次减少1 mm;第3次同孔重复射孔时2号和3号试验钢靶破裂无法测量孔容及计算平均孔径。DP44RDX38-3型聚能射孔弹在砂岩靶上第2次同孔重复射孔平均穿孔深度比初次射孔增加84 mm,增加幅度22.8%,平均孔径比初次射孔增加3.9 mm,增加幅度40.8%;第3次同孔重复射孔平均穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度32.0%,平均孔径比初次射孔增加7.1 mm,增加幅度72.7%(见表2)。同种聚能射孔弹在砂岩靶上的2次同孔重复射孔穿的孔深度增加幅度明显大于钢靶。

表2 同种聚能射孔弹砂岩靶射孔试验数据分析

开展3组不同类型的聚能射孔弹穿过砂岩靶同孔重复射孔试验,DP44RDX38-3型聚能射孔弹在砂岩靶上射孔,后用HS44RDX39-1型聚能射孔弹在砂岩靶上第2次同孔重复射孔穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度31.2%,平均孔径比初次增加2.7 mm,增加幅度26.2%;第3次同孔重复射孔穿孔深度比初次射孔增加166 mm,增加幅度43.2%,平均孔径比初次射孔增加6.0 mm,增加幅度58.5%(见表3)。优化组合不同类型聚能射孔弹在砂岩靶上的2次同孔重复射孔平均穿孔深度增加幅度43.2%,最大提高幅度58.8%,明显大于未优化的同类型聚能射孔弹的增加幅度。

1.2 液体-固体组合靶的射孔试验

为了研究射孔后孔道内径对射流侵彻的影响程度,设计射流过小孔后穿靶的试验。液体-固体组合靶是对聚能射孔弹产生的孔眼直径的进一步扩大,该组合靶是用混凝土靶浇注有孔道的靶,养护后抗压强度与试验用砂岩相似。

DP44RDX38-3型聚能射孔弹模拟砂岩靶射孔试验的第2次同孔重复射孔情况,射孔弹爆轰形成的射流穿过清水(模拟井液)后侵彻靶体,试验装置见图2。聚能射孔弹炸高为16 mm,模拟枪靶板为6 mm低碳钢板,清水介质深度500 mm,砂岩靶高200 mm,其中,清水介质深度据DP44RDX38-3型聚能射孔弹在砂岩靶同孔重复射孔最大深度498 mm确定。

表3 不种聚能射孔弹砂岩靶射孔试验数据分析

图2 液体-固体组合靶试验装置示意图

在射孔弹穿过液体-固体组合靶的试验中,DP44RDX38-3型聚能射孔弹穿透厚500 mm清水后在砂岩靶中开孔,孔道直径越大对射流的影响越小(见表4),注清水孔道直径由20 mm增加到25 mm,平均穿孔深度增加1.9%;射流穿过注清水孔道直径为200 mm时,此时射流不再受孔道的有限边界约束,穿孔深度比20 mm孔径时增加18%。表明DP44RDX38-3型聚能射孔弹穿过500 mm清水后在砂岩靶穿孔深度仅为175 mm,此种产品同孔重复射孔的极限穿孔深度不超过675 mm。

表4 聚能射孔弹穿液体-固体结合靶试验结果

2 分析与探讨

2.1 靶体材料影响试验结果

射孔时射流撞击靶体,轴向开孔、径向扩孔,在形成孔道的同时也受孔道壁的反作用,部分金属颗粒回弹撞击干扰射流,从而影响孔道的深度、直径,射流与靶体相互作用的结果决定射孔孔道的最终形状。史进伟等[14]得出在侵彻水介质间隔靶中,在射流环周形成水波、空腔,对射流影响比空气中大,速度衰减更明显。同孔重复射孔时,射流进入孔道撞击水介质,轴向挤压孔道壁并反弹再次作用射流,影响射流向前穿孔效果,射孔孔道直径、深度增加,增加幅度由射流、介质、孔道壁强度等因素共同决定。第2次同孔重复射孔与第1次作用机理相同,大孔道直径对射流的影响小,穿孔深度的增加幅度更明显。

DP44RDX38-3型聚能射孔弹产生的射流直径为3～5 mm,由大量金属颗粒组成,其在向前运动过程中拉长、发散。这些颗粒与接触介质撞击、运动,与邻近的孔道壁相互作用,这可以理解为射流前进过程中引起介质振荡反作用影响射流的穿孔性能,扩大了孔道直径。一般认为射流在钢靶上开孔的有效速度高于2 000 m/s,在砂岩靶上开孔的有效速度低于2 000 m/s,高于800 m/s。这部分射流的作用使不同型号聚能射孔弹在钢靶、砂岩靶上的同孔重复射孔效果差别明显,因此,可以探索利用该部分射流进一步提高同孔重复射孔效果。

2.2 射流径向穿过区域影响射孔效果

DP44RDX38-3型聚能射孔弹在钢靶上重复射孔时,射流的能量首先用于扩展孔径,将孔径从8.0 mm扩展到11.1 mm,然后小幅度增加穿孔深度,将穿孔深度从148 mm提高到154 mm;当孔径达到11.1 mm后对射流的影响减小,因此,第2次同孔重复射孔时径向扩孔减少,孔径仅从11.1 mm增加到11.6 mm,而穿孔深度从154 mm提高到170 mm,表明重复射孔时只有先克服径向影响后穿孔深度才能明显增加。在砂岩靶及孔径相应扩大的液体-固体组合靶上规律基本相同,当砂岩靶中的孔径从10.0 mm增加到17.1 mm时,同孔重复射孔深度平均值提高32.0%～43.2%、最大提高幅度58.8%;当孔径超过20 mm时,对同孔重复射孔深度影响逐渐降低。射流穿过200 mm孔径、500 mm水后的穿孔深度仅比穿过狭窄域的20 mm孔径、500 mm水时的穿孔深度提高18.0%。

聚能射孔弹在不同的靶上射孔形成的穿孔深度、孔径不同,同孔重复射孔时,金属射流通过注满清水的孔道时首先需要克服水、孔道壁的影响,如果能径向扩展孔道壁,则后续射流受到的反作用力减少,有利于进一步提高穿孔深度,也可以通过提高射流的抗反作用能力来提高同孔重复射孔深度。

3 结 论

(1)同种聚能射孔弹在不同靶上同孔重复射孔穿孔深度变化规律不同,钢靶、砂岩靶、清水对穿孔深度的影响依次降低。

(2)射流在侵彻时,与周围介质相互作用形成射孔孔道,重复时射流与孔道内的水介质、孔道壁相互作用,产生的径向反作用越强对射流的影响越大。

(3)利用不同孔径、穿孔深度的聚能射孔弹的组合可有效减少重复射孔时孔道壁对射流的影响,获得更高的穿孔深度。

(4)由于试验量的限制,试验结果还需要进一步修正。建议针对性地开展聚能射流侵彻影响因素研究,为研制针对井下油层的射孔、重复射孔用聚能射孔弹(器)、施工方案提供依据。